超大型高位集水冷卻塔的三維數(shù)值模擬研究

高德申，郭富民，宋小軍

（1.山東電力工程咨詢?cè)河邢薰荆綎| 濟(jì)南 250013；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

1 研究背景

高位集水冷卻塔出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代法國(guó)1300MW核電機(jī)組，因其具有高效、節(jié)能、低噪等明顯優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過(guò)多方面比較是一種新型節(jié)能冷卻塔［1-2］。與常規(guī)塔相比，高位塔在淋水填料下部增加了高位集水裝置，如圖1所示。由于集水裝置的存在，一方面可以有效抬高前池水位，節(jié)約水泵揚(yáng)程；另一方面，減小了高位塔雨區(qū)高度，雨區(qū)阻力減小，填料進(jìn)風(fēng)更為均勻。受廠址地質(zhì)條件限制，我國(guó)在20世紀(jì)90年代在陜西的蒲城電廠兩臺(tái)機(jī)組采用該類型塔［3］。目前，在國(guó)內(nèi)新建的百萬(wàn)機(jī)組火電工程以及內(nèi)陸核電工程中，高位集水冷卻塔也得到了較好的應(yīng)用。雖然高位集水冷卻塔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)比較明顯，且有較多工程應(yīng)用，但國(guó)內(nèi)對(duì)于高位冷卻塔的技術(shù)研究較少，高位冷卻塔有何特性，與常規(guī)冷卻塔相比有何不同，是中國(guó)電力工程設(shè)計(jì)、運(yùn)行人員所關(guān)注的問(wèn)題［4］。

圖1 常規(guī)冷卻塔和高位集水塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置對(duì)比

本文通過(guò)對(duì)某超大型高位集水冷卻塔的熱力、阻力三維數(shù)值模擬，揭示高位集水冷卻塔的塔內(nèi)空氣流動(dòng)特性、高位塔的熱力阻力特性以及與常規(guī)塔的區(qū)別。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 空氣流場(chǎng)控制方程自然通風(fēng)逆流式冷卻塔在機(jī)組負(fù)荷、氣象條件及循環(huán)水量穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，塔內(nèi)外空氣流場(chǎng)可以按三維穩(wěn)態(tài)計(jì)算?？諝饬鲌?chǎng)的通用控制方程可表示如下：

連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

能量方程：

氣體狀態(tài)方程：

k方程：

ε方程：

組分輸運(yùn)方程：

式中：ρ為密度（kg/m3）；為速度矢量（m/s）；Sm為質(zhì)量源項(xiàng)（kg/（m3·s））；p為壓強(qiáng)（Pa）；為應(yīng)力（Pa）；g為重力加速度；為側(cè)體力（例如粒子項(xiàng)）（N）；h為焓（kJ/kg）； μt=ρCμk2/ε 為湍流黏性系數(shù)（kg/（m2·s））；σ為湍流Prandtl數(shù)；T為當(dāng)前開(kāi)爾文溫度（K）；hj為j組分的焓（kJ/kg）；為j組分的擴(kuò)散通量；Sh為能量源項(xiàng)（J/（m3·s））；R為氣體常數(shù)；Yj為j組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Mw，j為j組分的分子量；k為湍流動(dòng)能；μ為氣體動(dòng)力黏系數(shù)（kg/（m2·s））；σk為k方程的湍流Prandtl數(shù)；Gk為平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Gb為由浮力引起的湍流動(dòng)能；ε為湍流動(dòng)能耗散率；σε為ε的湍流Prandtl數(shù)；Sj為組分源項(xiàng)（k/（m3·s））；C1ε、C2ε、Cμ、Ck和Cε均為湍流常數(shù)；其取值見(jiàn)表1。

表1 湍流模型常數(shù)

2.2 阻力模型阻力模型分為填料區(qū)和淋水雨區(qū)兩部分，填料采用多孔介質(zhì)模型，淋水雨區(qū)采用離散項(xiàng)DPM模型，模型中的雨滴當(dāng)量直徑由系列模擬試驗(yàn)結(jié)果給出［5-6］。

2.3 熱質(zhì)交換模型采用Merkel模型分析填料和雨區(qū)的熱交換過(guò)程。根據(jù)Merkel理論，單位體積內(nèi)冷空氣與熱水之間的熱交換量為：

式中：Q為換熱量（kJ/（h·m3））；V為氣相體積（m3）；βxv為體積散質(zhì)系數(shù)（kg/（h·m3））；i″為水溫對(duì)應(yīng)的飽和焓（kJ/kg）；i為空氣的焓（kJ/kg）。單位體積內(nèi)熱水的蒸發(fā)量：

式中：W為熱水蒸發(fā)量（kg/h）；V為氣相體積（m3）；X″為水溫對(duì)應(yīng)的飽和含濕量（kg/kg）；X為氣相內(nèi)水蒸氣的含濕量（kg/kg）。

2.4 邊界條件計(jì)算區(qū)域分為冷卻塔內(nèi)和外兩個(gè)區(qū)域。對(duì)于塔外區(qū)域的邊界，底部為絕熱邊界，其他面的邊界為壓力出口邊界。塔殼的外壁設(shè)置成絕熱邊界。當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型時(shí)，還需設(shè)定k和ε的邊界。通過(guò)編寫(xiě)自定義函數(shù)（UDF）將壓力出口的k和ε邊界設(shè)置為第二類邊界條件，形成如下：

式中：n為邊界面的法向，其他符號(hào)同前。塔內(nèi)區(qū)域，塔殼的內(nèi)壁邊界條件為絕熱墻壁。進(jìn)風(fēng)口和塔的出口都設(shè)置成內(nèi)部邊界。填料區(qū)域設(shè)置成多孔介質(zhì)區(qū)域，且根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)定阻力系數(shù)。噴淋區(qū)的頂端設(shè)置為雨滴發(fā)射面。在雨滴射入設(shè)置中，設(shè)定淋水總量、水溫、雨滴當(dāng)量直徑以及初始速度。

3 計(jì)算與分析

3.1 高位集水冷卻塔建模與網(wǎng)格劃分本文針對(duì)某16 000㎡高位集水冷卻塔進(jìn)行數(shù)值模擬，該高位集水冷卻塔中集水裝置平行布置，在不考慮自然風(fēng)影響時(shí)，塔內(nèi)流動(dòng)呈扇區(qū)對(duì)稱性，只模擬一個(gè)扇區(qū)即可。計(jì)算域取為300 m×300 m×600 m，如圖2所示，其中計(jì)算中采用的最小網(wǎng)格體積尺寸為0.6 m3，最大網(wǎng)格體積為1 670 m3，網(wǎng)格數(shù)量約200萬(wàn)。

圖2 網(wǎng)格劃分立體圖

淋水填料選用S波，其熱力性能參數(shù)公式為：

阻力試驗(yàn)給出阻力系數(shù)公式如下：

式中：N為冷卻數(shù)； λ為汽水比；A=4.557×10-4q2+1.62×10-2q+0.728，M=3.27×10-6q2-1.086×10-2q+1.92，q為淋水密度（kg/m2·s）；A和M為試驗(yàn)獲得系數(shù)與指數(shù)公式，其他符號(hào)同前。

3.2計(jì)算結(jié)果與分析針對(duì)無(wú)風(fēng)時(shí)淋水密度為7、10及13 t/（h·m2）3種淋水密度，氣象條件按冬季、年均及夏季3種氣象條件共9個(gè)工況，淋水填料高度1.50 m。高位集水冷卻塔的空氣流場(chǎng)、壓力分布、溫度分布見(jiàn)圖3，從靜壓強(qiáng)分布來(lái)看，與常規(guī)冷卻塔相仿，填料頂面處壓強(qiáng)為負(fù)壓且數(shù)值達(dá)到最大，然后壓強(qiáng)從填料頂部向上逐漸增大，直至在塔出口附近與環(huán)境大氣壓相等；出口處的總壓大于環(huán)境總壓，即總壓為正壓，該能量屬于出口損失總能量；從流線圖可知，在無(wú)考慮逆溫和自然風(fēng)時(shí)，空氣從周圍流向冷卻塔時(shí)，其中一部分氣體從進(jìn)風(fēng)口流入塔內(nèi)，一部分氣體沿塔體外殼向上流動(dòng)。

圖3 高位集水冷卻塔主要參數(shù)分布圖

圖4 高位集水冷卻塔中填料斷面風(fēng)速分布情況

高位集水冷卻塔集水裝置在高處將雨滴收集，與常規(guī)塔比，占有較大比重的雨區(qū)部分的阻力大大降低，塔內(nèi)氣流流速分布更趨均勻，將明顯改善塔內(nèi)氣流分布的均勻性，淋水密度為10 t/（h·m2）時(shí)，不同氣象條件下、徑向無(wú)量綱的填料斷面風(fēng)速分布情況見(jiàn)圖4。可以看出，與常規(guī)塔相比，不同氣象條件下高位集水冷卻塔的填料斷面風(fēng)速更為均勻，造成其阻力更低，在相同條件下，其通風(fēng)量更大，有利于其冷卻性能的提高。

高位集水冷卻塔的空氣阻力主要包括淋水填料區(qū)域、集水裝置區(qū)域（即集水裝置和雨滴區(qū)）、進(jìn)風(fēng)口氣流轉(zhuǎn)向區(qū)和塔出口等部分，將各部分的阻力系數(shù)進(jìn)行整理匯總，如表2所示。

常規(guī)冷卻塔的空氣阻力主要包括淋水填料區(qū)域、雨區(qū)、進(jìn)風(fēng)口氣流轉(zhuǎn)向區(qū)和塔出口等部分，將各部分的阻力系數(shù)進(jìn)行整理匯總，如表3所示。

從表2和表3可知：對(duì)兩種塔型，淋水填料、轉(zhuǎn)向與出口處的阻力系數(shù)相差不大，但高位塔的集水裝置與常規(guī)塔的雨區(qū)阻力系數(shù)相差較大，造成常規(guī)塔阻力系數(shù)較高位塔大很多，且差值隨淋水密度的增大而變大，以淋水密度10 t/（h·m2）、平均氣象條件為例，高位塔與常規(guī)塔的整塔阻力系數(shù)分別為42.1和68.1。從各區(qū)域所占整塔阻力系數(shù)的比重看，高位塔的區(qū)域比重相對(duì)穩(wěn)定，填料區(qū)與集水裝置區(qū)域占整塔阻力的比重，分別在60.5%和24.5%左右；而常規(guī)塔的區(qū)域比重偏差較大：以雨區(qū)阻力系數(shù)比重為例，隨淋水密度增大，所占比重從最小值43.1%增加至最大值62.2%，與平均比重值52.9%相差較大；而填料區(qū)的阻力系數(shù)比重則從44.9%降低至31.0%。

在冷卻塔數(shù)值模擬中，出塔水溫是電力設(shè)計(jì)最關(guān)心的結(jié)果。本文對(duì)淋水面積16 000 m2的常規(guī)塔和高位塔，在3種氣象條件、3個(gè)淋水密度情況下，對(duì)其出塔水溫差（常規(guī)塔減高位塔）進(jìn)行比較分析，詳見(jiàn)圖5?？梢钥闯觯合嗤瑮l件下，高位塔的出塔水溫較常規(guī)塔低，冷卻效果更好，且其優(yōu)勢(shì)隨淋水密度的增加而變大，這與前述的阻力特性分析是一致的。最大出塔水溫偏差可達(dá)1.45℃，這是由于高位塔進(jìn)風(fēng)更為均勻、常規(guī)塔內(nèi)側(cè)配風(fēng)相對(duì)較差所致。同時(shí)，從另一角度看，高位塔在較高淋水密度下更有優(yōu)勢(shì)。

表2 高位集水冷卻塔中各部分阻力系數(shù)匯總

表3 常規(guī)冷卻塔中各部分阻力系數(shù)匯總

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某16 000 m2的超大型高位集水冷卻塔進(jìn)行的熱力阻力數(shù)值模擬，分析了空氣流場(chǎng)、壓力分布、溫度分布、填料斷面風(fēng)速分布，以及塔內(nèi)空氣阻力分布，得出結(jié)論如下：

第一，與常規(guī)冷卻塔相比，高位集水冷卻塔填料斷面風(fēng)速分布更為均勻，填料與配水采用全塔均勻配置方案為佳。

第二，高位集水冷卻塔增加了集水裝置，雖然對(duì)塔內(nèi)氣流形成阻力，但與常規(guī)塔比，由于雨區(qū)阻力的減少，冷卻塔的整體阻力相對(duì)較小，以某一工況為例，整塔阻力系數(shù)分別為42.1和68.1。同時(shí)，高位塔各區(qū)域所占整塔阻力系數(shù)的比重相對(duì)穩(wěn)定，填料區(qū)比例在平均數(shù)60.5%左右，而常規(guī)塔的區(qū)域比重隨不同氣象條件、不同淋水密度的變化較大，填料區(qū)比例從44.9%變化至31.0%。

第三，從出塔水溫對(duì)比分析看，高位集水塔的冷卻效果更好，最大出塔水溫偏差可達(dá)1.45℃，且由于其進(jìn)風(fēng)更為均勻，高位集水塔在較高淋水密度下更有優(yōu)勢(shì)。

圖5 出塔水溫差隨氣象條件與淋水密度變化趨勢(shì)圖

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